基于2.4GHz射頻通信的多功能鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

1、基于2.4ghz射頻通信的多功能鼠標(biāo)設(shè)計(jì)多功能無(wú)線鼠標(biāo)包括無(wú)線放射部分和無(wú)線接收部分，其中放射部分是關(guān)系到其總體性能好壞的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)以nrf24l01為核心構(gòu)建無(wú)線放射模塊。nrf24l01是一款新型單片件，工作于2.42.5 ghz ism頻段；內(nèi)置頻率合成器、功率、晶體、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增加型shockburst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序舉行配置。nrf24l01功耗低，在以0 dbm的功率放射時(shí)，工作惟獨(dú)11.3 ma；接收時(shí)，工作電流惟獨(dú)12.3 ma；多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更便利。多功能無(wú)線鼠標(biāo)是一款用法電池供電的手持設(shè)備，功耗

2、是衡量其性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)所選用的主控芯片是f413，它是一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，在活躍模式下最大電流為350a，ram數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1a。光芯片選用adns-5030。這款芯片體積小，功耗低，在工作模式下，它的工作電流最大為17 ma；僅在光傳感器工作的時(shí)候，才被點(diǎn)亮，這樣會(huì)使光傳感器的功耗進(jìn)一步下降(小于1 ma)。本文在介紹多功能無(wú)線鼠標(biāo)放射部分開(kāi)發(fā)過(guò)程的同時(shí)，對(duì)其設(shè)計(jì)應(yīng)用中的注重事項(xiàng)和優(yōu)化辦法作了相應(yīng)的論述。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，多注重詳情和優(yōu)化辦法可使設(shè)計(jì)越發(fā)順當(dāng)，并為大規(guī)模算法提供有效的時(shí)光。1 硬件設(shè)計(jì)多功能無(wú)線鼠標(biāo)放射部分主要實(shí)現(xiàn)光傳感器位移、按鍵鍵值的采

3、集，并通過(guò)無(wú)線放射給接收器。主要由控制部分、光傳感器部分、鼠標(biāo)按鍵和鍵盤(pán)部分以及無(wú)線放射部分組成。系統(tǒng)框圖1所示。1.1 無(wú)線放射部分無(wú)線放射部分是多功能無(wú)線鼠標(biāo)的主要部分，本設(shè)計(jì)以nrf24l01為核心構(gòu)建無(wú)線放射模塊。nrf24l01具有無(wú)條件用法2.4 ghz全球開(kāi)放ism頻段，內(nèi)置硬件crc檢錯(cuò)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸率為2 mbs，126個(gè)頻道；能滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要；功耗低，供電為1.93.6 v，待機(jī)模式下工作電流為22a，掉電模式下僅為900 na。這些是nrf24l01的主要優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線放射部分的電路原理2所示。1.2手持系統(tǒng)對(duì)低功耗有較嚴(yán)格的要求。ms

4、p430系列有5種低功耗模式。在一定時(shí)問(wèn)內(nèi)無(wú)操作的狀況下，可以使其進(jìn)入某一種低功耗模式，這時(shí)的工作電流可以控制在十幾a以下。對(duì)于外圍器件，如光傳感器和無(wú)線放射部分，設(shè)置了一個(gè)開(kāi)關(guān)，在主控芯片進(jìn)入低功耗模式之前先切斷它們的電源，使系統(tǒng)的功耗進(jìn)一步降低。而在有操作到來(lái)的時(shí)候，主控芯片從低功耗模式返回到活躍模式，首先將外圍器件的電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，這樣可以保證系統(tǒng)正常工作。低功耗電源控制電路3所示。開(kāi)關(guān)由一個(gè)pnp型的晶體管構(gòu)成，基極作為控制信號(hào)的輸入，放射極為電壓輸入，集電極為電壓輸出?？刂菩盘?hào)的電平變幻可以控制線路上電源的通斷。1.3 光傳感器部分光傳感器adns-5030用于鼠標(biāo)的定位。adns-5

5、030的正常工作電壓為3.3 v，在光傳感器的設(shè)計(jì)中需要將電池供電輸出的3.0 v電壓轉(zhuǎn)換成其所需要的3.3 v電壓。電路采納ht7733 芯片來(lái)完成電壓的轉(zhuǎn)換。adns-5030通過(guò)spi與主控芯片舉行數(shù)據(jù)通信，其銜接方式4所示。1.4 按鍵與鍵盤(pán)多功能無(wú)線鼠標(biāo)的按鍵與一般鼠標(biāo)的按鍵功能基本相同，只是將一般鼠標(biāo)的滾輪(wheel)改成了上下鍵的設(shè)計(jì)。這兩種設(shè)計(jì)的功能是相同的。鍵盤(pán)用于阿拉伯?dāng)?shù)字、字母以及各種功能鍵的輸入。采納矩陣式的手機(jī)鍵盤(pán)，節(jié)約了主控芯片的io口資源。2 軟件部分設(shè)計(jì)2.1 通用io模擬spi接口無(wú)線放射芯片nrf24l01和光傳感器adns-5030均是采納spi總線與主

6、控芯片舉行數(shù)據(jù)交換的。出于成本考慮，本設(shè)計(jì)所選用的主控芯片msp430f413內(nèi)部沒(méi)有spi總線接口，因此，需要用通用io口來(lái)模擬spi接口。用通用io口來(lái)模擬spi串行接口，必需嚴(yán)格遵守器件spi的總線時(shí)序。adns-5030的spi總線時(shí)序有幾個(gè)需要注重的地方：一是spi總線的串行時(shí)鐘頻率應(yīng)小于1 mhz，若spi總線的時(shí)鐘頻率過(guò)高，器件無(wú)法在短時(shí)光內(nèi)作出響應(yīng)，相應(yīng)的操作也就無(wú)法完成；二是adns-5030對(duì)spi總線上的時(shí)鐘信號(hào)要求50的占空比，這種要求并不是針對(duì)全部器件的，但對(duì)詳細(xì)提出這種要求的個(gè)例，就必需遵循了(試驗(yàn)證實(shí)這個(gè)結(jié)論是正確的，筆者通過(guò)在程序中加空命令的方式來(lái)填補(bǔ)空缺，使其

7、占空比達(dá)到器件的要求)；三是spi總線操作中有許多須要的延時(shí)，如讀操作中寫(xiě)地址和讀數(shù)據(jù)之間需要4s的延時(shí)，程序中若無(wú)該延時(shí)，就不能執(zhí)行正常的讀寫(xiě)操作。2.2 無(wú)線放射部分nrf24l01的工作原理如下：放射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nrf24l01配置為放射模式，接著把接收節(jié)點(diǎn)地址tx_addr和有效數(shù)據(jù)tx_pld根據(jù)時(shí)序由spi口寫(xiě)入nrf24l01緩存區(qū)。tx_pld必需在csn為低時(shí)延續(xù)寫(xiě)入，而tx_addr在放射時(shí)寫(xiě)入一次即可。然后，ce置為高電平并保持起碼10s，延遲130s后放射數(shù)據(jù)。若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么nrf24l01在放射數(shù)據(jù)后立刻進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)(自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)當(dāng)與接收節(jié)

8、點(diǎn)地址tx_addr全都)。假如收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信勝利，tx_ds置高，同時(shí)tx_pld從tx fifo中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新放射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟)，若重發(fā)次數(shù)(arc)達(dá)到上限，max_rt置高，txfifo中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā)。max_rt或tx_ds置高時(shí)，使irq變低，產(chǎn)生中斷，通知。放射勝利時(shí)，若ce為低，則nrf24l01進(jìn)入待機(jī)模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且ce為高，則進(jìn)入下一次放射；若發(fā)送堆棧中很多據(jù)且ce為高，則進(jìn)入待機(jī)模式2。接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nrf24l01配置為接收模式，接著延遲130s進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和crc時(shí)

9、，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在rxfifo中，同時(shí)中斷標(biāo)記位rx_dr置高，irq變低，產(chǎn)生中斷，通知mcu取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入放射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。接收勝利時(shí)，若ce變低，則nrf24l01進(jìn)入待機(jī)模式1。nrf24l01有放射、接收、待機(jī)和掉電4種工作模式，可以通過(guò)配置寄存器來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)，如表1所列。待機(jī)模式1(standby-i)主要用于降低電流損耗(在該模式下，晶體振蕩器仍然工作)。待機(jī)模式2(standby-ii)是當(dāng)fifo寄存器為空且ce=1時(shí)進(jìn)入此模式。待機(jī)模式下，全部配置字仍然保留。在掉電模式(powerdown)下電流損耗最小，同時(shí)nrf24l01也不工作，

10、但其全部配置寄存器的值仍然保留。無(wú)線放射部分上電初始化時(shí)，舉行了如下配置：config寄存器的低4位置1，分離為16位crc校驗(yàn)，芯片上電和接收模式；setup_aw(地址寬度)寄存器配置地址寬度為5字節(jié)；setup_retr(自動(dòng)重發(fā))寄存器配置為自動(dòng)重發(fā)延時(shí)500s，重發(fā)5次；rf_ch(rf頻道)寄存器配置為工作頻道2 400mhz；rf_setup(rf設(shè)置)寄存器配置為放射功率0 dbm，air data rate為1 mhz；將地址寫(xiě)入地址寄存器。在配置寄存器時(shí)應(yīng)注重一點(diǎn)：在寫(xiě)nrf24l01的寄存器時(shí)，它必需工作在掉電模式或待機(jī)模式。而在nrf24l01上電達(dá)到1.9 v以后，要

11、經(jīng)過(guò)10.3 ms的上電復(fù)位然后再進(jìn)入掉電模式。這是一個(gè)不確定狀態(tài)。在此狀態(tài)下，對(duì)寄存器的寫(xiě)操作是無(wú)法完成的，因此必需加上一個(gè)合適的延時(shí)，使程序?qū)rf24l01的配置操作在掉電模式或待機(jī)模式下舉行。當(dāng)光傳感器或按鍵等有操作時(shí)，主控制器將讀入的信號(hào)寫(xiě)入nrf24l01的tx_pld，然后由芯片自動(dòng)生成報(bào)頭和crc校驗(yàn)碼，并發(fā)送出去。當(dāng)收到應(yīng)答信號(hào)(ack)后，程序中所設(shè)置的標(biāo)記位success置1，清除tx fifo隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，可以舉行下一次數(shù)據(jù)的寫(xiě)入了；若未收到應(yīng)答信號(hào)(ack)，則標(biāo)記位success置0，繼續(xù)重發(fā)，且新的數(shù)據(jù)無(wú)法寫(xiě)入。2.3 讀光傳感器位移值讀光傳感器的位移值，其實(shí)就是

12、讀它對(duì)應(yīng)的寄存器。在adns-5030的內(nèi)部寄存器中，地址為0x02的motion寄存器用于表示是否有位移。其最高位若為0，則無(wú)位移；最高位若為1，則有位移。另外，用法到的兩個(gè)寄存器的地址是0x03和ox04的deltax和deltay。這兩個(gè)寄存器的值分離表示x軸和y軸方向上的位移。最高位表示位移的方向，1為負(fù)方向，0為正方向，低7位表示位移量。5所示，首先推斷是否有位移，即motion的最高位是否為1。若不為1，則表示沒(méi)有位移，本次查詢結(jié)束；若為1，則表示有位移，然后再去讀deltax和deltay的值，并將其通過(guò)無(wú)線放射部分發(fā)送出去。讀deltax、deltay寄存器后，寄存器中的值自動(dòng)

13、清零，但是motion寄存器讀后不清零，所以最后需要對(duì)motion寄存器的最高位舉行清零，以防止在沒(méi)有位移的狀況下，系統(tǒng)也對(duì)deltax、deltay寄存器舉行掃描，造成不須要的鋪張。另一個(gè)需考慮的地方是光傳感器的辨別率。在上電復(fù)位后，光傳感器的辨別率為默認(rèn)的500cpi(cells perinch)，但是試驗(yàn)效果并不好。在調(diào)試時(shí)，其位移并不顯然，后來(lái)修改寄存器的值，將其辨別率改為1 000 cpi(惟獨(dú)500 cpi和1 000 cpi兩種辨別率)，光標(biāo)的位移效果顯然好于辨別率為500 cpi時(shí)的效果。由此可見(jiàn)，光傳感器的這一屬性也是相當(dāng)重要的。2.4 讀按鍵與鍵盤(pán)左右鍵的設(shè)計(jì)與一般按鍵的設(shè)

14、汁稍有不同。用法鼠標(biāo)時(shí)可以看到，在按下左鍵同時(shí)拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，可以選中光標(biāo)移動(dòng)范圍內(nèi)的選項(xiàng)；同樣，右鍵也具有這樣的功能。在左右鍵的掃描程序中，當(dāng)程序掃描到有鍵按下時(shí)(例如左鍵按下)，立即將所得到的鍵值發(fā)送出去，這時(shí)，接收端的左鍵值向來(lái)是處于按下?tīng)顟B(tài)的，同時(shí)也不耽擱光傳感器等的掃描；當(dāng)左鍵抬起時(shí)，再向接收端發(fā)送按鍵抬起的命令，一次左右鍵的掃描就完成了。這樣就可以實(shí)現(xiàn)在按下左鍵同時(shí)拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，選中光標(biāo)移動(dòng)范圍內(nèi)選項(xiàng)的操作了。上下鍵與左鍵和右鍵的操作方式不同。在上下鍵的掃描程序中還應(yīng)考慮點(diǎn)動(dòng)和連動(dòng)這兩種不同的狀況。點(diǎn)動(dòng)即為在一定時(shí)光內(nèi)迅速按下一個(gè)按鍵，然后立刻釋放；而按下一個(gè)鍵并延時(shí)一段時(shí)光再釋放，則程序?qū)⑵渥R(shí)別為連動(dòng)。鍵盤(pán)部分設(shè)置了20個(gè)鍵，是一個(gè)5×4的矩陣，包括“o9”10個(gè)數(shù)字鍵，“上、下、左、右”4個(gè)方向鍵，“”鍵，“確